Anxious Albatross
Проверенный
Партнерский федеральный медиапроект НАШЕЙ ЛАБЫ и АНО «Настоящие дела» представляет уникальные истории семи организаций — российских промышленных компаний и исследовательских университетов, успешно выпускающих наукоемкое высокотехнологическое оборудование, приборы, расходные материалы, оборудование для научных лабораторий, ведущих научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в интересах обеспечения технологического суверенитета страны. Мы уже начали публиковать относительно короткие видеоролики-интервью с представителями этих организаций, но за кадром этих роликов осталось слишком многое. И кое-что мы решили вам показать, а точнее – рассказать прямой речью героев нашего проекта. Героем первого выпуска проекта «У нас есть такие приборы» стал научный коллектив молодых ученых Института физики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского. Слово – его руководителю Анатолию Караваеву.
Об исследованиях
Мы исследуем системы вегетативной регуляции человеческого организма и строим на основе результатов этих исследований новые методы диагностики. Нормальному состоянию человеческого организма соответствует не только ситуация, когда все органы и системы здоровы по отдельности, но очень важно, чтобы эти органы и системы координировали свою работу.
Приведу пример. Сегодня с утра я проснулся по будильнику, вскочил, побежал собираться на работу, умываться, ну и в голове продумывал план действий на сегодняшний день. У меня немедленно увеличилась частота сердечных сокращений, дыхательных движений и сосудодвигательные мышцы, которые расположены в стенках артериальных сосудов, сократились.
Это повысило артериальное давление, что позволило насыть мои скелетные мышцы и головной мозг кислородом, что обеспечило нормальное функционирование меня в процессе умывания и собирания на работу. За такую скоординированную работу органов и систем отвечают как раз нервы вегетативной нервной системы.
Это система, которая работает в существенной степени автономно от «думающей» части коры нашего головного мозга. И здесь нам повезло, потому что, например, у дельфинов акт дыхания ‑ сознательный процесс, и если дельфин потеряет сознание, он может, как ни парадоксально, задохнуться и утонуть.
Вегетативная нервная система является в достаточной степени изученной. Например, по сравнению с когнитивными функциями головного мозга, то есть с функциями, связанные непосредственно с сознанием и высшей нервной деятельностью, эта система изучена очень хорошо. Но, конечно же, масса белых пятен и неизвестного до сих пор остается, в частности, касающаяся взаимодействия различных элементов этой системы.
О технологиях
Особенность и новизна технологий, которые мы предлагаем, заключается в том, что мы предложили методы, которые позволяют неинвазивно, то есть не внедряясь электродами в человеческий организм, и, что важно, количественно охарактеризовать степень, свойства и характеристики взаимодействия органов с систем.
Это отличает нас от коллег, других исследователей, которые раньше концентрировались на активности различных элементов систем регуляции по отдельности. Как показали исследования, которые мы проводим совместно с нашими коллегами-врачами, предлагаемые нами технологии позволяют дать очень важную дополнительную информацию о состоянии организма и для целого ряда приложений позволяют провести персонализированную диагностику и терапию, в том числе тяжелых заболеваний систем кровообращения. Более того, похожие технологии используются нами для диагностики уровня ментальной усталости и стресса. Мультидисциплинарные подходы исключительно важны.
Очень важно, когда удается выстроить тесное взаимодействие между исследователями из различных областей. Мы тесно сотрудничаем с коллегами-медиками из НМИЦ сердечно-сосудистой хирургии имени Бакулева, НМИЦ терапии и профилактики, с другими организациями.
Анатолий Караваев
Такая коллаборация позволяет, с одной стороны, создавать методы и устройства для диагностики, а с другой стороны, со стороны медицинских специалистов, это, конечно, постановка задач клинических и интерпретация результатов. Без этого такая работа была бы невозможна.
О дыхании и сердечно-сосудистой системе
Одним из существенных вопросов является то, как дыхание взаимодействует с сердечно-сосудистой системой. Известно и показано в прямых экспериментах, что такое кардио-респираторное взаимодействие очень важно для диагностики. Изменение свойств этого взаимодействия является признаком развития тяжелых и опасных патологий. Но неизвестно, в частности, с какой силой действует в конечном счете дыхание на сердечно-сосудистую систему. То есть мы можем зарегистрировать сигнал дыхания различными датчиками, но как в конечном счете конкретный акт дыхания повлиял количественно на работу сердца и сосудов, неизвестно, хотя известно, что повлиял. Это один из вопросов, который мы ставим в наших исследованиях. Когда мы работаем с человеком, естественно, возможности какого-то хирургического вмешательства и прямых экспериментальных инвазивных воздействий ограничены и этическими причинами, и техническими. Даже в экспериментах на животных далеко не к каждому органу и системе можно подобраться хирургически, не повредив его настолько, чтобы сигналы имело смысл анализировать далее.
Мы — криминалисты
Мы действуем как Шерлок Холмс с доктором Ватсоном, то есть мы собираем какие-то улики в косвенных экспериментах, формируем гипотезу и, соответственно, ищем подозреваемого на основе этих косвенных данных. То есть сигналы мы регистрируем с поверхности организма, не внедряясь в его работу, но стараемся сделать вывод о том, что происходит внутри.
Приведу один пример. Существенный вопрос и проблема — это то, как процессы высшей нервной деятельности влияют на вегетативную регуляцию.
С одной стороны, нервы вегетативной нервной системы могут действовать независимо от процессов высшей нервной деятельности. С другой стороны, конечно же, высшая нервная деятельность влияет на эти процессы. Ну, каждый из нас понервничав, наверное, наблюдал, что у него учащается сердцебиение, у некоторых даже артериальное давление повышается. Это как раз проявление вот таких взаимодействий. Но детали этих взаимодействий слабо изучены.
Биологическая обратная связь
У нас есть направление, связанное с системой биологической обратной связи (БОС). Это направление подразумевает снижение уровня стресса и ментальной усталости путем подстройки частоты дыхания под частоту автономной регуляторной системы.
Это известная технология, но мы сейчас развиваем и уточняем метод, который поможет усовершенствовать эту технологию.
Вообще, это очень интересный вопрос ‑ управляемое воздействие высшей нервной деятельности на автономную регуляцию. Я бы сказал, что мы, пока изучаем и уточняем лишь некоторые его аспекты.
О сне
У нас были результаты, связанные с изучением изменения динамики систем автономной регуляции во сне. Известно, что человек во сне проходит несколько разных стадий. Выделяют сон быстрый, сон медленный, и несколько подстадий медленного сна.
Длительность и последовательность чередования этих стадий определяет, насколько здоровый сон у человека. Сейчас во всем мире огромная проблема ‑ современные люди живут в активном темпе, они часто испытывают стресс, и у них нарушается сон. И это, в свою очередь, может повлечь различные заболевания. Во сне процессы высшей нервной деятельности упрощаются, то, как они воздействуют на автономную систему во сне изучать проще.
Наш метод позволяет классифицировать стадии сна, регистрируя минимум биосигналов. В ряде случаев более точно диагностировать нарушения сна, помогая их лечению.
Мы решали эту задачу с помощью технологии, о которой я рассказывал выше, основанной на диагностике связей между элементами организма и с помощью математических моделей. Для этого мы строили модель, которая воспроизводит и объясняет эффекты воздействия высших нервных центров на сердечно-сосудистую систему. Нам здесь удалось продвинуться, понять некоторые особенности такого воздействия, но мы надеемся, что в перспективе удастся разработать метод, который позволяет активно в нужном направлении воздействовать, например, для улучшения сна. Но это дальнейшие перспективы.
О смарт-часах
Почти каждый человек сейчас носит на себе смарт-часы. Вот у меня есть прекрасные смарт-часы. Они мигают зеленым огоньком и регистрируют сигнал сердечно-сосудистой системы. Этот сигнал называется фотоплитизмограмма и он отражает кровенаполнение сосудов кожи в области, где эти часы наложены. Этот сигнал легко можно зарегистрировать в бытовых условиях, собственно, теперь почти у каждого такая возможность есть.
И это прекрасно. Этот сигнал понятен и сердечно-сосудистая система одна из наиболее изученных. А головной мозг и когнитивные функции изучены очень слабо. Но головной мозг влияет на сердечно-сосудистую систему и это влияние отражается в ее сигналах. Мы пытаемся понять то, как же работают некоторые когнитивные функции, например, во сне, как я говорил, анализируя отклик на вот это воздействие со стороны сердечно-сосудистой системы.
Обычно мы регистрируем электрокардиограмму и фотоплетизмограмму ‑ то, что легко и просто сейчас регистрируется с поверхности тела, и находим в этих сигналах косвенные свидетельства о том, как работают другие органы и системы. Это — основное направление нашей деятельности ‑ добыть информацию о том, что внутри организма, на основании того, что мы можем легко наблюдать снаружи. Для этого мы строим диагностические устройства, создаем регистраторы, создаем методы, которые позволяют из перечисленных сигналов добыть те их составляющие, которые связаны с некими внутренними, скрытыми процессами в организме. Применяя в комплексе наши технологии, аппаратные регистраторы и методы, которые позволяют нам добыть информацию из легко регистрируемых сигналов, удается решать уже медицинские задачи.
Что дальше?
Перспективы нашей деятельности приведут, как мы надеемся, к нескольким достижениям. Одно из направлений — это создание персонализированных математических моделей сердечно-сосудистых и других систем.
Мы получаем с поверхности тела сигнал, например, электрокардиограмму конкретного человека и, например, сигнал его дыхания. На компьютере у нас есть математическая модель абстрактного человека. Мы можем загрузить в эту модель сигналы, зарегистрированные с реального человека, и в результате подстроить параметры этой модели таким образом, чтобы она воспроизводила характеристики конкретных сигналов.
Анатолий Караваев
Дальше мы смотрим на параметры этой модели. Дело в том, что модель описывает процесс, который происходит внутри организма, и параметры ее описывают характеристики и параметры органов систем, которые непосредственно неинвазивно измерить нельзя, а в некоторых случаях и инвазивно нельзя. Эта технология определения значений параметров математической модели по экспериментальным сигналам называется реконструкцией или идентификацией системы. Мы надеемся, что добьемся тут успехов. Первые оптимистичные результаты уже получены.
Еще одно направление связано с диагностикой заболеваний сердечно-сосудистой системы, в частности, с постинфарктной терапией. Нами совместно с коллегами из НИИ кардиологии было показано, что рассчитываемые нами индексы, которые характеризуют степень связи некоторых элементов сердечно-сосудистой системы, позволяют уточнить терапию после инфаркта миокарда.
В первые сутки после инфаркта, если оказывается, что наш индекс маленький, то медики делают вывод, что связи между системами регуляции и возможно сами системы сильно разрушены, им нужно помочь, и это позволяет оптимизировать медикаментозную терапию.
Кроме того, наши индексы позволяют сделать вывод о вероятности повторного инфаркта миокарда в течение пяти лет. Это позволяет персонализированно более эффективно наблюдать и вести таких пациентов, требующих особого внимания.
Надеюсь, что эти наши разработки удастся довести до успешного результата и внедрить в практику.
Продолжить чтение...
Об исследованиях
Мы исследуем системы вегетативной регуляции человеческого организма и строим на основе результатов этих исследований новые методы диагностики. Нормальному состоянию человеческого организма соответствует не только ситуация, когда все органы и системы здоровы по отдельности, но очень важно, чтобы эти органы и системы координировали свою работу.
Приведу пример. Сегодня с утра я проснулся по будильнику, вскочил, побежал собираться на работу, умываться, ну и в голове продумывал план действий на сегодняшний день. У меня немедленно увеличилась частота сердечных сокращений, дыхательных движений и сосудодвигательные мышцы, которые расположены в стенках артериальных сосудов, сократились.
Это повысило артериальное давление, что позволило насыть мои скелетные мышцы и головной мозг кислородом, что обеспечило нормальное функционирование меня в процессе умывания и собирания на работу. За такую скоординированную работу органов и систем отвечают как раз нервы вегетативной нервной системы.
Это система, которая работает в существенной степени автономно от «думающей» части коры нашего головного мозга. И здесь нам повезло, потому что, например, у дельфинов акт дыхания ‑ сознательный процесс, и если дельфин потеряет сознание, он может, как ни парадоксально, задохнуться и утонуть.
Вегетативная нервная система является в достаточной степени изученной. Например, по сравнению с когнитивными функциями головного мозга, то есть с функциями, связанные непосредственно с сознанием и высшей нервной деятельностью, эта система изучена очень хорошо. Но, конечно же, масса белых пятен и неизвестного до сих пор остается, в частности, касающаяся взаимодействия различных элементов этой системы.
О технологиях
Особенность и новизна технологий, которые мы предлагаем, заключается в том, что мы предложили методы, которые позволяют неинвазивно, то есть не внедряясь электродами в человеческий организм, и, что важно, количественно охарактеризовать степень, свойства и характеристики взаимодействия органов с систем.
Это отличает нас от коллег, других исследователей, которые раньше концентрировались на активности различных элементов систем регуляции по отдельности. Как показали исследования, которые мы проводим совместно с нашими коллегами-врачами, предлагаемые нами технологии позволяют дать очень важную дополнительную информацию о состоянии организма и для целого ряда приложений позволяют провести персонализированную диагностику и терапию, в том числе тяжелых заболеваний систем кровообращения. Более того, похожие технологии используются нами для диагностики уровня ментальной усталости и стресса. Мультидисциплинарные подходы исключительно важны.
Очень важно, когда удается выстроить тесное взаимодействие между исследователями из различных областей. Мы тесно сотрудничаем с коллегами-медиками из НМИЦ сердечно-сосудистой хирургии имени Бакулева, НМИЦ терапии и профилактики, с другими организациями.
Анатолий Караваев
Такая коллаборация позволяет, с одной стороны, создавать методы и устройства для диагностики, а с другой стороны, со стороны медицинских специалистов, это, конечно, постановка задач клинических и интерпретация результатов. Без этого такая работа была бы невозможна.
О дыхании и сердечно-сосудистой системе
Одним из существенных вопросов является то, как дыхание взаимодействует с сердечно-сосудистой системой. Известно и показано в прямых экспериментах, что такое кардио-респираторное взаимодействие очень важно для диагностики. Изменение свойств этого взаимодействия является признаком развития тяжелых и опасных патологий. Но неизвестно, в частности, с какой силой действует в конечном счете дыхание на сердечно-сосудистую систему. То есть мы можем зарегистрировать сигнал дыхания различными датчиками, но как в конечном счете конкретный акт дыхания повлиял количественно на работу сердца и сосудов, неизвестно, хотя известно, что повлиял. Это один из вопросов, который мы ставим в наших исследованиях. Когда мы работаем с человеком, естественно, возможности какого-то хирургического вмешательства и прямых экспериментальных инвазивных воздействий ограничены и этическими причинами, и техническими. Даже в экспериментах на животных далеко не к каждому органу и системе можно подобраться хирургически, не повредив его настолько, чтобы сигналы имело смысл анализировать далее.
Мы — криминалисты
Мы действуем как Шерлок Холмс с доктором Ватсоном, то есть мы собираем какие-то улики в косвенных экспериментах, формируем гипотезу и, соответственно, ищем подозреваемого на основе этих косвенных данных. То есть сигналы мы регистрируем с поверхности организма, не внедряясь в его работу, но стараемся сделать вывод о том, что происходит внутри.
Приведу один пример. Существенный вопрос и проблема — это то, как процессы высшей нервной деятельности влияют на вегетативную регуляцию.
С одной стороны, нервы вегетативной нервной системы могут действовать независимо от процессов высшей нервной деятельности. С другой стороны, конечно же, высшая нервная деятельность влияет на эти процессы. Ну, каждый из нас понервничав, наверное, наблюдал, что у него учащается сердцебиение, у некоторых даже артериальное давление повышается. Это как раз проявление вот таких взаимодействий. Но детали этих взаимодействий слабо изучены.
Биологическая обратная связь
У нас есть направление, связанное с системой биологической обратной связи (БОС). Это направление подразумевает снижение уровня стресса и ментальной усталости путем подстройки частоты дыхания под частоту автономной регуляторной системы.
Это известная технология, но мы сейчас развиваем и уточняем метод, который поможет усовершенствовать эту технологию.
Вообще, это очень интересный вопрос ‑ управляемое воздействие высшей нервной деятельности на автономную регуляцию. Я бы сказал, что мы, пока изучаем и уточняем лишь некоторые его аспекты.
О сне
У нас были результаты, связанные с изучением изменения динамики систем автономной регуляции во сне. Известно, что человек во сне проходит несколько разных стадий. Выделяют сон быстрый, сон медленный, и несколько подстадий медленного сна.
Длительность и последовательность чередования этих стадий определяет, насколько здоровый сон у человека. Сейчас во всем мире огромная проблема ‑ современные люди живут в активном темпе, они часто испытывают стресс, и у них нарушается сон. И это, в свою очередь, может повлечь различные заболевания. Во сне процессы высшей нервной деятельности упрощаются, то, как они воздействуют на автономную систему во сне изучать проще.
Наш метод позволяет классифицировать стадии сна, регистрируя минимум биосигналов. В ряде случаев более точно диагностировать нарушения сна, помогая их лечению.
Мы решали эту задачу с помощью технологии, о которой я рассказывал выше, основанной на диагностике связей между элементами организма и с помощью математических моделей. Для этого мы строили модель, которая воспроизводит и объясняет эффекты воздействия высших нервных центров на сердечно-сосудистую систему. Нам здесь удалось продвинуться, понять некоторые особенности такого воздействия, но мы надеемся, что в перспективе удастся разработать метод, который позволяет активно в нужном направлении воздействовать, например, для улучшения сна. Но это дальнейшие перспективы.
О смарт-часах
Почти каждый человек сейчас носит на себе смарт-часы. Вот у меня есть прекрасные смарт-часы. Они мигают зеленым огоньком и регистрируют сигнал сердечно-сосудистой системы. Этот сигнал называется фотоплитизмограмма и он отражает кровенаполнение сосудов кожи в области, где эти часы наложены. Этот сигнал легко можно зарегистрировать в бытовых условиях, собственно, теперь почти у каждого такая возможность есть.
И это прекрасно. Этот сигнал понятен и сердечно-сосудистая система одна из наиболее изученных. А головной мозг и когнитивные функции изучены очень слабо. Но головной мозг влияет на сердечно-сосудистую систему и это влияние отражается в ее сигналах. Мы пытаемся понять то, как же работают некоторые когнитивные функции, например, во сне, как я говорил, анализируя отклик на вот это воздействие со стороны сердечно-сосудистой системы.
Обычно мы регистрируем электрокардиограмму и фотоплетизмограмму ‑ то, что легко и просто сейчас регистрируется с поверхности тела, и находим в этих сигналах косвенные свидетельства о том, как работают другие органы и системы. Это — основное направление нашей деятельности ‑ добыть информацию о том, что внутри организма, на основании того, что мы можем легко наблюдать снаружи. Для этого мы строим диагностические устройства, создаем регистраторы, создаем методы, которые позволяют из перечисленных сигналов добыть те их составляющие, которые связаны с некими внутренними, скрытыми процессами в организме. Применяя в комплексе наши технологии, аппаратные регистраторы и методы, которые позволяют нам добыть информацию из легко регистрируемых сигналов, удается решать уже медицинские задачи.
Что дальше?
Перспективы нашей деятельности приведут, как мы надеемся, к нескольким достижениям. Одно из направлений — это создание персонализированных математических моделей сердечно-сосудистых и других систем.
Мы получаем с поверхности тела сигнал, например, электрокардиограмму конкретного человека и, например, сигнал его дыхания. На компьютере у нас есть математическая модель абстрактного человека. Мы можем загрузить в эту модель сигналы, зарегистрированные с реального человека, и в результате подстроить параметры этой модели таким образом, чтобы она воспроизводила характеристики конкретных сигналов.
Анатолий Караваев
Дальше мы смотрим на параметры этой модели. Дело в том, что модель описывает процесс, который происходит внутри организма, и параметры ее описывают характеристики и параметры органов систем, которые непосредственно неинвазивно измерить нельзя, а в некоторых случаях и инвазивно нельзя. Эта технология определения значений параметров математической модели по экспериментальным сигналам называется реконструкцией или идентификацией системы. Мы надеемся, что добьемся тут успехов. Первые оптимистичные результаты уже получены.
Еще одно направление связано с диагностикой заболеваний сердечно-сосудистой системы, в частности, с постинфарктной терапией. Нами совместно с коллегами из НИИ кардиологии было показано, что рассчитываемые нами индексы, которые характеризуют степень связи некоторых элементов сердечно-сосудистой системы, позволяют уточнить терапию после инфаркта миокарда.
В первые сутки после инфаркта, если оказывается, что наш индекс маленький, то медики делают вывод, что связи между системами регуляции и возможно сами системы сильно разрушены, им нужно помочь, и это позволяет оптимизировать медикаментозную терапию.
Кроме того, наши индексы позволяют сделать вывод о вероятности повторного инфаркта миокарда в течение пяти лет. Это позволяет персонализированно более эффективно наблюдать и вести таких пациентов, требующих особого внимания.
Надеюсь, что эти наши разработки удастся довести до успешного результата и внедрить в практику.
Продолжить чтение...